بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی1

بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی

فصل اول

مقدمه

بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی: در کشور ما مهمترین بنادر درحاشیه دریای خزر و حاشیه خلیج فارس و دریای عمان قرار گرفته‌اند که به علت شرایط نامساعد در این مناطق، وسعت تخریب سازه‌های بتنی قابل ملاحظه بوده و هزینه های تعمیر و نگه داری دوره ای آن‌ها بسیار پر خرج می‌باشد و در صورتی که با مواد مناسب و با استفاده از فناوری‌های نوین نسبت به اعمال مواد انجام نشود این خرابی‌ها مجدداً در زمان‌های کوتاهی ظاهر می‌شوند.

 گام اول احداث سازه ­های بتنی با دوام، انتخاب مناسب مصالح و نسبت­ های اختلاط آن‌ها است.

از این رو گروه مهندسی فناوران سدآب بر آن شد که طی مطالعه و تحقیق پیرو این موضوع علاوه بر بررسی عوامل تخریب بتن در محیط های دریایی به ارائه راهکارها و شیوه های نوین براساس آیین نامه‌های جهانی در مقاوم سازی بتن و مصالح مورد استفاده در سازه های دریایی بپردازد.

عموماً تصور بر این است که بتن یکی از مصالح بسیار با دوام است. ولی تاریخچه آن در محیط دریایی حاکی از آن است که در مقابل آب دریا و مخرب های شیمیایی، بتن از نقطه نظر دوام در معرض مشکلات جدی قرار دارد.

در این مقاله بعد از دسته بندی و معرفی اجمالی سازه‌های دریایی،علل و مکانیزم خرابی سازه ­های بتنی در محیط دریایی بنادر بررسی خواهد شد.

sadabb

1

1_طبقه ­بندی سازه­ های دریایی

بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی: اصطلاح «سازه ­های دریایی» معمولاً به لنگرگاه ­های ساحلی، موج شکن­ ها و سدهای آبگیری، حوضچه­ های تعمیراتی خشک و باراندازها (اسکله­ ها)، پایانه های باربری، سرسره­ های شناور ساحلی و سکوهای حفاری اطلاق می­ شود. چنین توصیفی از سازه­ های دریایی با توجه به عملکرد آنها شکل گرفته است. بر این اساس انواع وسیع سازه­ های دریایی را می­ توان به پنج گروه عمومی دسته­ بندی کرد:

1.سکوهای متکی به شمع( شمع ها، پی‌های عمیقی هستد که در صورت ضعف مقاومتی لایه‌های فوقانی خاک، برای انتقال بار به لایه‌های پایین تر با مقاومت بالا و یا سنگ بستر استفاده می شوند).

2.تیغه ­های انعطاف پذیر

3.سازه ­های وزنی

4.سدهای توده­ای یا قلوه سنگی

5.سازه­ های شناور

هر یک از گروه­ های مذکور شامل چندین نوع سازه با تفاوت­ های اساسی در نحوه تحمل بارهای اصلی می ­شوند. از طرف دیگر برای هر کدام از این انواع سازه ها روش­ های مختلف اجرایی وجود دارند، مانند بتن درجا، پیش ساخته، جعبه ه­ای (سلولی) و پیش تنیده که دسته ­بندی دیگری را ایجاب می­ کند.

طبقه­ بندی پیشنهادی فوق فقط انواع سازه ­های اساسی را شامل می­ شود. سازه­ های ترکیبی مختلف نیز وجود دارند، مانند دیوارهای مهار شده صلب، سازه های ساندویچی بتن- فولادی و غیره.

2

3

2_ بتن در محیط دریایی

بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی: از میان سه نوع مصالح اصلی سازه‌ای یعنی فولاد، بتن و چوب، بتن مسلح رایج ترین مصالح مورد استفاده در سازه‌های دریایی است. بتن با سیمان پرتلند حدود یکصدسال پیش ابداع شده و یکی از وسیع‌ترین مصالح صنعتی مورد استفاده در جهان گردیده است. دلایل متعددی برای این امر وجود دارد، از جمله مقاومت عالی بتن در مقابل آب، سهولت فرم پذیری بتن در اشکال و اندازه گیری مختلف، ارزان تر بودن و سهولت دسترسی به مصالح تشکیل دهنده آن تقریباً در هر نقطه از جهان. همچنین در مقایسه با سایر مصالح ساختمانی، بتن در مقابل نفوذ آب شور بهترین مقاومت را از خود نشان داده است. تعداد وسیعی از اسکله ها، حوضچه‌های تعمیراتی، تیرها و پایه های پل، موج شکن‌ها و تونل‌های زیردریایی، گواه روشنی از پذیرش عمومی بتن به عنوان مصالح ساخت مناسب برای سازه‌هایی است که در معرض محیط دریایی قرار دارند. به ویژه در چند دهه گذشته، کاربرد بتن به عنوان مصالح سازه‌ای اصلی در بسیاری از پروژه های دریایی به صورت قابل ملاحظه گسترش یافته است به گونه‌ای که برخی بر این عقیده هستند که قرن بیست و یکم قرن بتن در اقیانوس‌ها خواهد بود.

1_2_ویژگی‌های مهم محیط‌های دریایی

محیط ­های دریایی عموماً محیط ­های خشن برای مصالح معمولی منجمله بتن مسلح می­ باشند. آب دریا عموماً دارای یون ها و گازهای خورنده و جایگاه موجودات دریایی است که برای مصالح ساختمانی مضر می­ باشند. فشارهای هیدرواستاتیکی و تغییرات بالای دما که اغلب در نواحی ساحلی و محلی سازه­ های دریایی وجود دارند، قادر به سرعت بخشیدن به تخریب مصالح ساختمانی می­ باشند. طوفان­ ها و بادهای شدید که موج ­های بزرگ را ایجاد کرده­ اند، گاه سازه ­های بسیار محکم را دچار شکست کرده ­اند. در قطب شمال و جنوب نیز قطعات یخ و یخچال­ ها مشکلات زیادی برای سازه­ های بتنی ایجاد نموده­ اند(مخرب های فیزیکی در بتن). بنابراین محیط خشن و بسیار پیچیده اقیانوس­ ها، موقعیت ویژه­ ای را برای تلاش جدی مهندسین به منظور غلبه بر این مشکلات به وجود آورده است.

3_علل و مکانیزم خرابی سازه‌های بتنی در محیط دریایی بنادر

بررسی اثر تخریب آب دریا برروی سازه های بتنی: در شرایط واقعی کارگاه، مشاهده شده که سازه ­های بتنی بیشتر در اثر ترکیب تنش­ های ناشی از سیکل­ های هوازدگی،گرم و سرد شدن، تر و خشک شدن، یخ زدن و آب شدن و خوردگی میلگردهای فولادی تخریب می ­شوند. در سازه­ های بتن مسلح، پدیده الکتروشیمیایی خوردگی میلگردها تقریباً همیشه با ترک خوردگی و فروریختن پوش بتنی همراه می­ باشد.

علت­ های اساسی برخی از پدیده ­های مضر که فوقاً اشاره شد، به ترتیب اهمیت در ارتباط با دوام بتن در سازه ­های دریایی بطور مختصر در این فصل مورد بررسی قرار می­ گیرد. درک عوامل خرابی زمینه منطقی برای کنترل آنها را فراهم آورده، مبنای توصیه­ های رایج برای بتن با دوام در محیط دریایی می­ شود.

3_1_خوردگی میلگردهای فولادی

خوردگی فولاد در بتن یک روند الکتروشیمیایی است که در آن پیل­ های خوردگی عموماً به علت اختلاف بین تراکم یون­ ها و گازهای موجود در مجاورت فلز تشکیل می­ گردد. معمولاً میلگرد فولادی دارای یک فیلم نازک Feo.OH روی سطح خود می­ باشد، که فولاد را در مقابل خوردگی مقاوم می­ سازد. این محافظ در محیط قلیایی سیمان پرتلند هیدراته شده پایدار است، ولی هم با افت میزان قلیاییت محیط پیرامونی به PH کمتر از 11 و هم با حضور یون­ های کلرید آسیب می­ بیند. در بتن نفوذپذیر پدیده کربناتاسیون نیز غالباً عاملی جهت کاهش PH می ­باشد. بتن در سازه­ های دریایی جدید اساساً نفوذپذیر است و بنابراین کربناتاسیون خمیر سیمان به ندرت در این امر دخالت می ­کند. از آنجا که آب دریا دارای غلظت بالایی از یون­ های کلرید است، بنابر‌این یک علت عمومی از بین رفتن محافظ موضعی میلگردهای فولادی نفوذ یون­ های کلرید به سطح فولاد است. وقتی محافظ فولاد در بخش ­های از آن یا به طور کامل شکسته شد، پتانسیل الکتروشیمیایی بطور موضعی بیشترین بار منفی را می ­یابد.

44

5

علاوه بر انهدام لایه محافظ دو شرط دیگر نیز باید به طور همزمان تحقق یابند تا خوردگی به میزان قابل ملاحظه ­ای اتفاق بیفتاد. شرط اول دسترسی مداوم به اکسیژن و آب (هوازدگی) و شرط دوم هدایت الکتریکی بتن می­ باشد. به دنبال عمل اکسیداسیون آهن، تبدیل آهن فلزی به زنگ ممکن است با افزایش قابل توجه در حجم (به برزگی 600 درصد) همراه شود و این افزایش حجم می­تواند عامل اساسی انبساط و ترک خوردگی بتن باشد.

6 

3_1_1کنترل عوامل مؤثر برخوردگی میلگردهای فولادی

با ملاحظه مکانیزم ایجاد انبساط و ترک خوردگی بتن ناشی از خوردگی میلگردهای فولادی همچنان که تشریح شد، آشکار می ­شود که میزان کلرید موجود در بتن، حضور اکسیژن و رطوبت در سطح فولاد و مقاومت الکتریکی بتن عوامل مهم کنترل پدیده خوردگی هستند. در شرایط واقعی، به نظر می­ رسد که نفوذ کلریدها به درون بتن سخت شده در اثر نفوذپذیری آسان تر از روند بسیار کند انتشار در خمیر سیمان اشباع صورت می­ گیرد. براساس تجربیات آزمایشگاهی یا کوتاه مدت کارگاهی، اختلاف در انواع سیمان به عنوان یک راه ­حل ممکن در مقابل مسئله خوردگی نیز مطرح شده است.

نتیجه ­ای که از وجود غلظت ­های بالای یون­های کلرید و سدیم در آب دریا گرفته می ­شود این است که این یون­ ها در طبیعت به سختی تشکیل کمپلکس (ترکیب) می­ دهند و نمی ­توان آنها را به مدت زیادی در محیط آبی به صورت ترکیبات غیرمحلول نگه داشت.

در نتیجه مخلوط بتن آب بند با کیفیت بالا (مسلح به فناوری کریستالیزاسیون که موجب رشد بلورهای آهکی غیر قابل حل در آب می شود) و بتن ریزی و عمل آوری صحیح (تراکم و ضخامت پوشش بتنی کافی) بهترین محافظ در مقابل نفوذ کلرید به درون بتن در محیط دریایی می­ باشد. اما اگر به هر علت غلظت کلرید در سطح میلگرد فولادی از یک مقدار معین تجاوز نماید لایه محافظ فولاد آسیب می­ بیند، سپس حضور اکسیژن محلول در سطح فولاد و مقاومت الکتریکی بتن عوامل کنترل کننده وضعیتی است که در آن خوردگی اتفاق خواهد افتاد.

3_2_عمل یخبندان (مخرب فیزیکی بتن)

در مناطق سردسیر، یخبندان عامل مهمی در ترک خوردن و تخریب بتن با مقاومت پایین (بتن آب بندی نشده) است. در بسیاری از نواحی ساحلی درجه حرارت هوا به میزان قابل ملاحظه­ای پایین­ تر از درجه حرارت یخ زدن آب می­ باشد. اما، وجود جریان­ های هوای گرم از یخ زدن آب دریا در زیر لایه سطحی جلوگیری می­ کند. فرآیند جزر و مد که دوبار در روز صورت می­ گیرد بتن ناحیه پاشیده شده آب دریا را در معرض دو سیکل یخ زدن و آب شدن قرار می­ دهد، که در بسیاری از مناطق این پدیده بیش از دویست سیکل در سال می­ گردد. بنابراین بدیهی است که بخش عمده تخریب سازه در اثر عمل یخبندان، در ناحیه ای که در معرض دائم رطوبت آب دریا قرار دارد، صورت می­ گیرد.

زمانی که آب در منافذ مویینه یخ می­زند، افزایش حجم در اثر یخ زدن آب باعث باز شدن منافذ می ­باشد که این افزایش باید معادل 9% حجم آب منجمد باشد و یا اینکه آب مازاد تحت فشار از محدوده­ های اطراف نمونه خارج خواهد شد. در حین این فرآیند، فشار هیدرولیکی تولید گردیده و مقدار این فشار بستگی به فاصله تا «محدوده خروج» نفوذپذیری مواد حد واسط، و سرعت تشکیل شدن یخ دارد. تجربه نشان می­ دهد که فشارهای مخرب در نمونه اشباع خمیر تشکیل خواهد شد، مگر آنکه فاصله منافذ موئینه در خمیر سیمان حداکثر 3 یا 4 هزارم اینچ از محدوده خروج بیشتر نباشد. با بکارگیری مواد افزودنی آب بند کریستال شونده و آب بندی هوشمند مناسب ، چنین محدوده ­های مناسب از نظر فواصل منافذ، حاصل می ­گردد.

نتایج تحقیقات اخیر برروی بتن در معرض آب سرد در ناحیه جزر و مد نشان می­ دهد که شوک­ه ای حرارتی ناشی از سیکل­ های تر و خشک شدن و یخ زدن و آب شدن ایجاد ترک­ های میکروسکوپی در بتن کرده و با افزایش درجه اشباع آن، سطح بتن از بین می­رود و بدین ترتیب نفوذپذیری بتن افزایش یافته، همچنین در مقابل حملات مختلف فیزیکی- شیمیایی آسیب پذیرتر می ­گردد.

استفاده از نفوذ گرهای آب بند کریستال شونده می تواند موئینگی‌ها و ترک‌های حاصله را به صورت خودترمیم اصلاح نموده و باعث طول عمر سازه بتنی می‌گردد.

3_3_حملات مواد شیمیایی

سطح بتن اولین خط دفاعی در برابر آب دریا می ­باشد. با دستیابی به پوسته بتنی آب بند با کیفیت بالا و بهره مندی از فناوری نفوذگر آب بند کریستال شونده ، می ­توان حمله شیمیایی آب دریا را به سطح محدود نمود. بنا به دلایل ذکر شده در مباحث قبلی، اگر بتنی نفوذپذیر باشد و نفوذ آب دریا در آن انجام شود، زمینه لازم برای انجام گرفتن واکنش ­های آسیب رسان بین آب دریا و مواد تشکیل دهنده خمیر سیمان پرتلند هیدراته شده آماده می­ گردد. یادآورمی نمایدکه مقدمات تجزیه مواد سیمانی تشکیل دهنده بتن فراهم می­ باشد، زیرا خمیر سیمان پرتلند هیدراته شده قلیایی است در حالی که آب دریا حاوی یون­ های اسیدی بوده، دارای PH نزدیک به خنثی می­ باشد.

3_4_فشار حاصل از تبلور نمک ­ها

در مواد متخلخل، فشار حاصل از تبلور نمک­ ها در محلول­ های اشباع ایجاد تنش­ هایی می­ نماید که ممکن است باعث ترک خوردگی و پوک شدگی گردند. چنین حالتی در پوشش دیواره تونل­ ها و قطعات یا دیواره ­های بتنی نفوذپذیر رخ می­ دهد، خصوصاً زمانی که یک وجه عنصر سازه ه­ای در معرض آب حاوی نمک (آب دریا) و وجوه دیگر در معرض هوای گرم (به عنوان مثال پدیده تبخیر) قرار می­ گیرد. به طور کلی هر چه درجه فوق اشباع بالاتر باشد، فشار کریستاله شدن نیز بیشتر خواهد بود. حتی برای درجه فوق اشباع پایین مانند 2، بلوری شدن کلرید سدیم می ­تواند فشاری معادل 600 اتمسفر اعمال نماید. در این حالت تنش حاصل به حدی خواهد بود که اغلب سنگ ­ها را می ­شکند.

آب حاوی نمک قادر است از طریق خاصیت موئینه داخل بتن نفوذ نماید و بدین ترتیب در محدوده تبخیر کریستاله شدن نمک باعث تخریب بتن می­ گردد، که این تخریب مشابه خرابی ناشی از عمل یخبندان است. در نتیجه تخریب بتن در محدوده پاشیده شدن آب دریا تا حدی در اثر فشار حاصل از تبلور نمک است. در بخش هایی از قطعات افقی بتنی که آب به صورت چاله راکد بماند، امکان بروز آسیب دیدگی ناشی از تبلور نمک وجود دارد. در مواردی که سیکل­ های متعدد تبلور نمک رخ دهد، تخریب و کنده شدن بتن از نوع «پوسته پیاز» صورت می­ گیرد که این پدیده به نام حلقه ­های لیزکننده نیز معروف است.

کیفیت سطحی بتن نقش مهمی در تعیین سرعت رسوب گذاری نمک بر سطح سازه بتنی واقع در محیط دریایی ایفا می­ نماید. بنابراین، در بتن ریزی مناسب، دستیابی به سطح صاف و غیرقابل نفوذ در درجه­ی اول اهمیت می­ باشد. این مسئله خصوصاً در مورد مخلوط­ های بتن حاوی میکروسیلیس حائز اهمیت است، زیرا این مخلوط­ها چسبیده ­اند و پرداخت سطح آنها مشکل می ­باشد.

نتیجه کلی :

با توجه به بررسی علل متداول تخریب بتن در آب دریا، به نظر می­ رسد که مکانیسم یکسانی در بسیاری از پدیده­ های مخرب دخیل می ­باشد. به عنوان مثال، در عمل یخبندان حمله سولفات، واکنش قلیایی- سنگدانه­ ها، و یا خوردگی میلگردهای فولادی، برخی محققان بر این باورند که انبساط ­ها مربوط به ایجاد فشارهای هیدرولیکی است. تحقیقات انجام شده نشان می­ دهد که تنش ­های حرارتی ایجاد شده در اثر سرد شدن نامناسب محصولات عمل آوری شده در بخار، یکی از عوامل ایجاد ترک­ های میکروسکوپی است و این پدیده عامل اصلی تشدید نفوذپذیری بتن در سازه می ­باشد. لازم است انتخاب متریال و مصالح تشکیل دهنده، نسبت ­های اختلاط و عملیات اجرایی بتن با دقت فراوانی انجام شود تا زمانی که سازه در معرض درجه حرارت­ های شدید قرار می­ گیرد ترک ­های میکروسکوپی کاهش یابند.

گروه مهندسی فناوران سدآب گلرود درمقالات آینده به بررسی مواد و مصالح مناسب جهت مقاوم سازی بتن،آب بندي سازه‌های بتني و…خواهد پرداخت.

مراجع:

  1. شرکت مادر تخصصی گرین سیل مالزی
  2. کتاب بتن در محیط دریایی، نوشته علی اکبر رمضانیان پور، منصور پیرایش
  3. تعمیر و حفاظت سازه­های بتنی، ترجمه : علی اکبر رمضانیان پور، رضا پاشایی، انتشارات نوپردازان (1381)

امکان ارسال دیدگاه وجود ندارد!